超高速加工技术.ppt

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Page1,2022/10/3,先进制造工艺技术,超高速加工技术,邢台职业技术学院机电系,Page2,2022/10/3,概述超高速加工技术的机理及特征超高速加工技术的应用超高速加工技术的相关技术,超高速加工技术,Page3,2022/10/3,超高速加工技术的历史背景20世纪50年代，美国麻省理工学院发明的数控技术被称为现代制造技术的开端80年代，工业发达国家数控化率已高达7080。

随着数控机床、加工中心和柔性制造系统的应用，使机械加工的辅助工时大大缩短。

在这种情况下，辅助工时在生产过程中占的比重已经较小，所以不能通过一味的减小辅助工时来提高生产率。

而切削工时占了总工时的主要部分，成为主要矛盾，只有大幅减少切削工时，提高切削速度和进给速度等，才能大幅提高生产率。

概述,Page4,2022/10/3,超高速加工技术的历史背景图不同年代切削加工的制造时间及费用的变化图,概述,Page5,2022/10/3,超高速加工技术的历史背景2019年，米兰国际机床博览会以来，高速化是每次国际性机床博览会一个突出的主题。

超高速加工已经成为20世纪末国际机械制造业最热门的话题。

数控技术是现代制造技术的第一个里程碑，那么超高速加工技术就是第二个高速超高速加工、精密超精密加工、高能束加工和自动化加工成了当今四大先进加工技术,概述,Page6,2022/10/3,超高速加工技术的内涵和范围超高速加工技术是指采用超硬材料刀具磨具和能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备，以极大地提高切削速度来达到提高切除率、加工精度和加工质量的现代制造加工技术。

概述,Page7,2022/10/3,内涵,高速切削是一个相对概念，是相对常规切削而言，用较高的切削速度对工件进行切削。

一般认为应是常规切削速度的510倍。

高速切削的速度范围与加工方法和工件材料密切相关。

HSCHigh-Speed-CuttingHSMHigh-Speed-Machining,概述,Page8,2022/10/3,范围,高速范围与加工材料密切相关,来源：

PTW,概述,Page9,2022/10/3,范围,高速范围与加工方法密切相关,车削：

7007000m/min；铣削：

3006000m/min；钻削：

2001100m/min；磨削：

150m/s以上。

例如：

在切削灰铸铁时，1000m/min以上才是高速车削，而400m/min就定义为高速钻削。

概述,Page10,2022/10/3,目前定位的超高速切削的指标：

保证加工精度和加工质量的前提下，将通常切削速度加工的加工时间减少90，同时将加工费用减少50,概述,Page11,2022/10/3,超高速加工技术的发展现状切削1976年美国首次推出有级超高速铣床，最高转速达20000r/min，功率15kw。

此后，法国、德国也开始了超高速加工技术的研究。

20世纪80年代中后期以来，商品化的超高速切削机床不断出现。

目前，日本在超高速机床的研究和开发领域已跃居世界领先地位，法国、瑞士、英国、意大利、澳大利亚等国也做了大量的工作。

超高速加工技术的发展现状和趋势,Page12,2022/10/3,超高速加工技术的发展现状切削我国在超高速加工的关键领域也做了一定的研究，但与国外相比，有较大的差距。

主轴转速在20000r以下，快速进给速度在30m以下；而国外，采用滚珠丝杠的进给系统，快速进给速度达到4060m，采用直线电机的进给系统中，快速进给可达160m。

超高速加工技术的发展现状和趋势,Page13,2022/10/3,超高速加工技术的发展现状磨削超高速磨削的研究开始是在50、60年代，在80年代兴起。

在超高速磨削技术方面，德国领先，日本后来巨上，美国则在奋起直追。

目前发达国家，工业上应用磨削速度已达到150250m/s,实验室中达到400/s。

我国在这一领域与国外差距巨大，工业上应用的磨削速度还未达到100m/s，实验室中才为250m/s。

超高速加工技术的发展现状和趋势,Page14,2022/10/3,超高速加工技术的发展趋势超高速加工技术的发展趋势应符合加工中心或柔性制造技术的发展方向，即高效高速化、实用廉价化、多功能复合化，最主要的是高效高速化方向。

超高速加工技术的发展现状和趋势,Page15,2022/10/3,概述超高速加工技术的机理及特征超高速加工技术的应用超高速加工技术的相关技术,3.2超高速加工技术,Page16,2022/10/3,超高速切削示意图,20世纪30年代德国物理学家Carl.J.Salomon提出高速加工的理论在切削速度达到一个临界值时,切削温度达到最大值,在这个临界值之后的一个范围内,切削速度增加,则切削温度下降。

超高速加工技术的机理,Page17,2022/10/3,新型刀具材料,20世纪80年代以来，新型刀具材料的发展为高速切削的实际应用创造了条件。

超高速加工技术的机理,Page18,2022/10/3,超高速加工技术的特征,高单位时间切除率，降低加工成本高加工表面质量，提高加工精度低切削力，降低加工系统力变形高激励频率，避免自激振荡切削热由切屑带走，减少工件热变形减少后续工序，降低加工成本,优点,Page19,2022/10/3,超高速加工技术的特征,高单位时间切除率，降低加工成本进给速度随切削速度的提高也可相应的提高510倍，这样，单位时间材料的去除率可提高36倍，因而加工时间可缩减到1/3.,Page20,2022/10/3,高速切削的特征,提高单位时间的切除量，降低产品的制造时间,（常规铣削）,（高速铣削）,后续工作精加工半精加工粗加工加工准备设计,来源：

BMW,超高速加工技术的特征,Page21,2022/10/3,超高速加工技术的机理,高加工表面质量，提高加工精度切削力和切削热影响小，使刀具和工件的变形小，保持了尺寸的精确性。

Page22,2022/10/3,高速切削的特征,提高加工表面质量,行距,行距,实际轮廓,要求轮廓,加工余量,行距,来源：

PTW,超高速加工技术的特征,Page23,2022/10/3,超高速加工技术的特征,低切削力，降低加工系统力变形高速切削切削力可降低30,Page24,2022/10/3,超高速加工技术的机理,切削热由切屑带走，减少工件热变形加工过程极为迅速，95以上的切削热来不及传给工件，而被切削迅速带走，零件不会因为温升导致弯翘和膨胀变形,Page25,2022/10/3,高速切削的特征,减少传递给工件的热量,切屑和接触面之间的接触区域产生的高温会导致温度效应并降低工件材料变形的阻力剪切角增大切削热大部分由切屑快速带走避免积屑瘤的产生,工件,后刀面,刀具,前刀面,接触区,高速切削的剪切角,常规切削的剪切角,超高速加工技术的特征,Page26,2022/10/3,超高速加工技术的特征,高激励频率，避免自激振荡减少后续工序，降低加工成本因为超高速加工的表面质量几乎可以和磨削相比，可以直接作为最后一道精加工工序,Page27,2022/10/3,超高速加工技术的特征,Page28,2022/10/3,概述超高速加工技术的机理及特征超高速加工技术的应用超高速加工技术的相关技术,3.2超高速加工技术,Page29,2022/10/3,高速切削的应用领域,航空航天工业轻合金的加工：

模具制造业：

汽车工业：

难加工材料的加工（如：

Ni基高温合金和Ti合金）纤维增强复合材料加工精密零件加工薄壁易变形零件的加工,超高速加工技术的应用,Page30,2022/10/3,航空航天工业轻合金的加工：

飞机上的零件通常采用“整体制造法”，其金属切除量相当大（一般在70以上），采用高速切削可以大大缩短切削时间。

超高速加工技术的应用,高速切削的应用领域,Page31,2022/10/3,美国波音公司的F15战斗机两个方向舵之间的气动减速板以前需要500多个零件装配而成，制造一个需要交货期为3个月；而现在应用高速切削技术直接在实体铝合金毛坯上铣削加工出来交货期只需要几天时间。

超高速加工技术的应用,Page32,2022/10/3,高速切削的应用领域,模具制造业：

型腔加工同样有很大的金属切除量，过去一直为电加工所垄断，其加工效率低。

以前为电加工后再进行抛光加工。

图,超高速加工技术的应用,Page33,2022/10/3,高速切削的应用领域,汽车工业：

对技术变化较快的汽车零件，采用高速加工。

（过去多用组合机加工，柔性差）其加工的典型零件：

伺服阀、各种泵、电机的壳体、电机转子、气缸体等,超高速加工技术的应用,Page34,2022/10/3,高速切削的应用领域,难加工材料的加工（如：

Ni基高温合金和Ti合金）纤维增强复合材料加工精密零件加工薄壁易变形零件的加工,超高速加工技术的应用,Page35,2022/10/3,概述超高速加工技术的机理及特征超高速加工技术的应用超高速加工技术的相关技术,3.2超高速加工技术,Page36,2022/10/3,高速主轴必须装在结构能适应高速切削的机床上，才能充分发挥高速切削的众多优点。

这就要求高速切削机床具有很高的进给速度，并在很高速下仍有高的定位精度。

此外高速进给要靠很大的加速度来实现，所以高速切削机床不仅要有很高的静刚度，还必须有很高的动刚度。

超高速加工技术的相关技术,1.高速切削机床结构,Page37,2022/10/3,根据上述几点要求，高速切削机床在90年代基本上从两个方向上发展：

一是在普通机床的基础上对关键零部件进行改进。

二是研制完全不同于普通机床的新型结构机床。

超高速加工技术的相关技术,Page38,2022/10/3,面向高速切削的切削机床,设计特征,高速电机主轴,直线电机（Z轴）,混凝土聚合物床身框架,焊接结构横梁,焊接结构XY工作台直线电机驱动,超高速加工技术的相关技术,Page39,2022/10/3,主轴系统传统的齿轮变速和皮带传送方式已不能适应超高速运转的条件代之以宽调速交流变频电机来实现数控机床主轴的变速，即采用无外壳电机，将其空心转子直接套装在机床主轴上，定子则安装在主轴单元的壳体内，形成“电主轴”。

实现变频电机和机床主轴的一体化。

超高速加工技术的相关技术,Page40,2022/10/3,图超高速主轴的结构,超高速加工技术的相关技术,Page41,2022/10/3,进给驱动系统高速化高速切削机床的滑台驱动系统在90年代初多采用大导程滚珠丝杠传动和增加伺服进给电机的转速来实现的，一般进给速度可达60m/min左右。

近几年出现了直线电机驱动系统。

由于它无间隙、惯性小、刚度较大而无磨损，通过控制电路可实现高速度和高精度驱动，在2019年进给速度已达120m/min,超高速加工技术的相关技术,Page42,2022/10/3,直线电动机的基本构造与普通旋转电机相似，如图所示,图直线电动机进给驱动系统1导轨系统2笼型绕组3三相绕组4直线行程测量系统,超高速加工技术的相关技术,Page43,2022/10/3,把电机的转子部分直接与机床工作台相连，从而消除了一切中间传动环节，实现了直接驱动,超高速加工技术的相关技术,Page44,2022/10/3,（3）运动部件轻量化和伺服进给控制精密化右图是一台高速切割的加工中心，其X、Y、Z三轴的移动部件的质量均较传统的结构为轻，且均采用直线电机驱动。

图高速切削的加工中心结构示意,超高速加工技术的相关技术,Page45,2022/10/3,右图是美国Ingersoll公司为英国BritishAerospace公司提供的大型高速型面铣床。

床身底面积为33m15m，约有三层楼高，它主要用来加工大型铝合金飞机零件。

图7-14大型高速型面铣床1基座2、6可移动铣头及滑台3、4顶部辅助支承导轨5工件安装和夹压台7主支承导轨及驱动系统,超高速加工技术的相关技术,Page46,2022/10/3,2.高速